相对论长质子束在等离子体中激发的自调制不稳定性及尾波场

Plasma-based accelerators (PBA) have attracted considerable attention owing to the ultrahigh field gradients sustainable in an electron plasma wave and short acceleration distances. Significant process has been made in PBA over the past years and electrons in GeV energy regime can be achieved now. However, on the path towards the TeV energy range, one still has to slove many problems. Plasma wakefield acceleration driven by existing TeV proton beams is now considered to be a very attractive approach for accelerating electron beams to TeV energy regime in a single plasma stage. In this research, with theoretical model and particle-in-cell (PIC) simulation method, we will investigate the self-modulation instability and wakefield excited in background plasmas by long relativistic proton beams for the application of proton driven plasma wakefield acceleration. Special attention will be paid on the influences of external applied magnetic fields (directed along the propagation direction of proton beam), plasma inhomogeneity and beam parameters on the self-modulation instability, wakefield and energy gain of the electron beam. The results of the project are expected to provide some theoretical support for plasma wakefield acceleration and the achievement of TeV electron beams.

基于等离子体的加速器由于具有加速梯度大、加速距离短等优点正受到国内外学者的广泛关注。目前相关的等离子体加速实验已经获得了GeV能量的电子束，而要获得TeV能量的电子束则仍存在一些挑战。采用TeV能量的质子束驱动等离子体尾波场加速是目前通过一次等离子体密度段加速获得TeV能量电子束的一个重要途径。本研究针对质子束驱动等离子体尾波场加速，采用理论模型以及粒子模拟方法，研究相对论长质子束在等离子体中激发自调制不稳定性以及尾波场情况。将重点探讨外加纵向磁场（磁场方向沿质子束运动方向）、等离子体不均匀性以及束参数对自调制不稳定性、尾波场及电子束能量增益的影响，期望研究结果能为等离子体尾波场加速以及TeV能量电子束的获得提供一定的理论支持。

质子束与等离子体相互作用的研究在很多前沿领域有着重要的应用，比如在聚变能源、高能量密度物质以及等离子体尾波场加速等领域。质子束在等离子体中激发尾波场及不稳定是其中一个重要的研究课题。本项目采用理论模型及粒子模拟方法，详细研究了束参数、等离子体参数以及外加磁场对质子束在等离子体中的聚焦、激发尾波场以及不稳定的影响。主要研究结果包括：1、自主研发编写了用于研究离子束-等离子体相互作用的粒子模拟软件IBMP，软件主要特点包括电磁、静电模型、移动窗口技术、高并行效率等等，已申请一项软件著作权。2、给出了外磁场对质子束在等离子体中聚焦效果的影响，发现了弱磁场对离子束聚焦的削弱效果，以及一定强度强磁场对离子束聚焦的增强效果；研究了实际实验中有限半径等离子体对质子束聚焦的影响，发现了其对束聚焦的增强效应。3、研究了电子及质子束驱动等离子体尾波场加速中电子的自注入现象，给出了等离子体参数对自注入过程的影响，揭示了自注入电子束加载效应对束本身发射度的影响。4、给出了质子束初始径向密度分布对束动力学效应的影响，揭示了离子束在等离子体中形成环状结构的物理机制。5、给出了静电双流不稳定性对离子束的强调制效应，并观察到了在不稳定性达到饱和时离子束在等离子体中激发高次谐波的现象。粒子模拟软件的成功开发为后续继续开展相关工作提供重要基础，相关研究结果对离子束与等离子体相互作用的实验研究工作有着重要的指导作用，如电子及质子束驱动的等离子体尾波场加速实验。目前部分研究结果已在中科院近代物理研究所的实验中得到初步证实。